利用電磁仿真軟件研究雷擊飛機(jī)效應(yīng)

2016-12-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

差不多十年前,并沒有防雷專業(yè),所以,目前活躍于防雷領(lǐng)域的技術(shù)專家,絕大多數(shù)是曾經(jīng)從事電子、通信、電力、計算機(jī)等方面的工程技術(shù)人員、設(shè)計人員,有些曾經(jīng)接觸過計算機(jī)輔助設(shè)計。這些年,計算機(jī)軟件設(shè)計在防雷工程的應(yīng)用主要是風(fēng)險評估、避雷針布局、接地設(shè)計等方面,但防雷產(chǎn)品的設(shè)計,從元器件到組件,原理和結(jié)構(gòu)都比較單一,除了CAD應(yīng)用,SPD的設(shè)計不知用不用得上仿真軟件。當(dāng)然,周璧華教授領(lǐng)導(dǎo)的電磁脈沖防護(hù)研究另當(dāng)別論。

當(dāng)前,防雷技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)品研發(fā)不斷地跟進(jìn)電磁脈沖防護(hù)技術(shù)的需求(歐地安、華煒等企業(yè)都將此作為業(yè)務(wù)重點。)可見,雷電及電磁脈沖防護(hù)技術(shù)研發(fā)手段的提升也是必要的了。

這里推薦FEKO軟件的雷擊飛機(jī)仿真研究,是給防雷方面研發(fā)人員提供一點啟發(fā)——通過方便的手段來提升產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)度和企業(yè)的競爭優(yōu)勢,比如電磁脈沖防護(hù)產(chǎn)品的研究、天饋系統(tǒng)防雷產(chǎn)品的研究、接地系統(tǒng)的效果評估等等。

EMSS公司旗下的FEKO軟件是一款強(qiáng)大的三維全波電磁仿真軟件。

EMSS公司成立于上個世紀(jì)的九十年代初期,在創(chuàng)始人Gronum Smith博士領(lǐng)導(dǎo)下,將80年代盛行的數(shù)值方法矩量法(MOM)成功引入到FEKO,在此基礎(chǔ)上又引入了多層快速多極子(MLFMM)[1],FEKO是世界上第一個把該方法推向市場的商業(yè)軟件。該方法使得精確分析電大問題成為可能。FEKO支持有限元方法(FEM),并且將MLFMM與FEM混合求解,MLFMM+FEM混合算法可求解含高度非均勻介質(zhì)電大尺寸問題。特別適合結(jié)構(gòu)之間通過自由空間耦合的問題,MLFMM區(qū)域(例如輻射區(qū)域)和FEM區(qū)域(例如介質(zhì)區(qū)域)之間的空間并不需要劃分網(wǎng)格,這使得矩陣規(guī)模很小,因此需要的計算資源很少;FEKO采用基于高階基函數(shù)(HOBF)的矩量法,支持采用大尺寸三角形單元來精確計算模型的電流分布,在保證精度的同時減少所需要的內(nèi)存,縮短計算時間;FEKO還包含豐富的高頻計算方法,如物理光學(xué)法(PO),大面元物理光學(xué)(Large elementPO),幾何光學(xué)法(GO),一致性幾何繞射理論(UTD)等,能夠利用較少的資源快速求解超電大尺寸問題?；趶?qiáng)大的求解器,FEKO軟件在電磁仿真分析領(lǐng)域尤其是電大尺寸問題的分析方面優(yōu)勢突出,成為電磁仿真領(lǐng)域的領(lǐng)軍產(chǎn)品。

FEKO軟件主要應(yīng)用:

1、天線分析

2、共形天線設(shè)計

3、陣列天線設(shè)計、

4、天線罩分析設(shè)計

5、多天線布局分析

6、 RCS隱身分析[2]

7、生物電磁-SAR

8、復(fù)雜線纜束EMC

9、微波電路和射頻器件

l0、系統(tǒng)的EMC(電磁兼容)

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基于CAE軟件——FEKO的雷擊飛機(jī)仿真研究

作者:宿志國張云峰王榮珠

本文主要通過FEKO電磁場仿真軟件來闡述相關(guān)研究思路,介紹了飛機(jī)表面電流分布和電磁場對線纜耦合的CAE仿真方法。

1 引言

雷電是一種常見的天氣現(xiàn)象,一般當(dāng)雷暴云中的正、負(fù)電荷區(qū)在其中部位置產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大于一定閾值時會擊穿空氣形成雙向先導(dǎo),先導(dǎo)分別進(jìn)入正、負(fù)電荷區(qū)并逐漸發(fā)展進(jìn)入大氣從而形成閃電,并伴隨強(qiáng)大的雷電電磁脈沖。然而,隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)代飛行器越來越多地使用先進(jìn)的電子設(shè)備和系統(tǒng),這會使飛行器對外部強(qiáng)電磁環(huán)境更加敏感,一旦遭到雷擊損失重大。因此,飛機(jī)的雷電效應(yīng)試驗逐漸成為航空飛機(jī)以及機(jī)載設(shè)備研制過程中一項重要的測試內(nèi)容和驗證手段,但此項試驗往往費(fèi)用高昂,消耗大量人力物力,而利用FEKO電磁仿真軟件對其進(jìn)行雷電效應(yīng)CAE仿真,可以在仿真過程中及時發(fā)現(xiàn)問題,并為雷電試驗提供較好的參考和指導(dǎo)。

當(dāng)前國內(nèi)外對飛行器雷電防護(hù)的研究已有很多,歐美等國率先把防雷擊設(shè)計作為飛機(jī)適航的附加條件并取得了一系列較為成熟的研究成果,我國也參照歐美等飛機(jī)雷電防護(hù)體系頒布了相應(yīng)的適航條例。在仿真方面,利用CST電磁計算軟件對雷擊飛機(jī)進(jìn)行仿真,給出了磁場在機(jī)內(nèi)的分布情況。采用VAM-LIFE電磁場計算工具對某型運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行仿真,得到了機(jī)內(nèi)線纜感應(yīng)電流仿真結(jié)果。相關(guān)文獻(xiàn)給出了雷擊飛機(jī)附著點的仿真結(jié)果。本文主要利用FEKO電磁場計算軟件對雷擊飛機(jī)進(jìn)行CAE仿真研究。

2 FEKO軟件與建模仿真介紹

2.1FEKO軟件介紹

FEKO是一款用于設(shè)計天線和分析電磁兼容問題的電磁場CAE軟件,其核心算法是矩量法,通過求解積分方程給出結(jié)果,理論上可以精確求解任意復(fù)雜媒質(zhì)的電磁問題。FEKO主要包含CADFEKO、EDITFEKO和POSTFEKO三個主要組成部分。CADFEKO主要用于圖形或CAD環(huán)境下創(chuàng)建和設(shè)置FEKO模型,包括幾何形狀定義和網(wǎng)格剖分,以及電磁參數(shù)和求解配置,并且還可以導(dǎo)入各種格式復(fù)雜的CAD模型并對其進(jìn)行網(wǎng)格剖分。EDITFEKO是FEKO軟件的高級用法,利用其中的“卡片”可以實現(xiàn)定義幾何模型和設(shè)置求解參數(shù)等功能。POSTFEKO一般用于后處理,可以將求解得到的所有電磁場信息以二維或三維的形式顯示出來,便于分析和研究。

需要指出的是,FEKO Suite 6.2之前的版本處理雷電時域問題非常不便,因為求解的雷電問題頻率范圍較廣,需要在該范圍內(nèi)進(jìn)行非常多的頻點計算,然后通過傅里葉逆變換(IFFT)轉(zhuǎn)換為時域結(jié)果,但之前版本缺乏這個后期處理能力,只能通過另外編寫程序等途徑來解決,這需要做大量工作且花費(fèi)很多時間。而FEKO 6.2在POSTFEKO中加入了后期時域處理功能,這使得工作量大為簡化。

2.2建模仿真介紹

建模包括幾何建模和電磁建模兩個方面,由于CADFEKO建模能力有限,對于大型復(fù)雜幾何體,可以利用一些專業(yè)的CAD建模軟件來完成,然后再通過CADFEKO將模型導(dǎo)入。電磁建模是對雷電激勵源、飛機(jī)機(jī)身材料的電磁參數(shù)、機(jī)內(nèi)設(shè)備的線纜構(gòu)造以及仿真頻率和求解參數(shù)等進(jìn)行定義。

采用FEKO進(jìn)行CAE仿真計算時,首先需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分,然而對于大型復(fù)雜的幾何模型來說,所剖分的面元網(wǎng)格越多,其仿真結(jié)果就越精確,但帶來的后果是計算量加大,計算時間延長,對計算機(jī)的CPU和內(nèi)存要求也更為苛刻。因此,仿真時需要對網(wǎng)格進(jìn)行合理剖分,這樣才能達(dá)到較為理想的效果。

3 飛機(jī)雷電間接效應(yīng)仿真研究

飛機(jī)雷電間接效應(yīng)是指雷電流產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場以及與飛機(jī)相互作用使機(jī)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)瞬態(tài)電磁環(huán)境,耦合到機(jī)內(nèi)設(shè)備和線路當(dāng)中形成高電壓和大電流,導(dǎo)致設(shè)備功能紊亂甚至損壞,并對機(jī)內(nèi)人員生命和財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

3.1飛機(jī)雷電試驗介紹

在飛行器的雷電試驗中,一般采用低電平電流注入機(jī)身和下面鋪設(shè)大接地導(dǎo)體板的方法,并利用專業(yè)的測試儀器對電纜中瞬態(tài)過電壓進(jìn)行測試。試驗中為了能夠模擬真實環(huán)境中飛機(jī)遭受雷擊的情況,這就需要對雷電流注入點和飛機(jī)的導(dǎo)體回路路徑進(jìn)行設(shè)置。目前,雖然相關(guān)的工程經(jīng)驗和理論分析比較成熟,但這些仍然不夠,還需要CAE仿真手段來對雷電試驗的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

3.2雷擊飛機(jī)間接效應(yīng)仿真方法

本文主要對上述試驗進(jìn)行CAE仿真,文中所用飛機(jī)模型只是初步建立的曲面模型,機(jī)身為良導(dǎo)體,內(nèi)部為自由空間,飛機(jī)座艙蓋和天線罩為介質(zhì)材料,雷擊入口和出口如圖1所示。

利用電磁仿真軟件研究雷擊飛機(jī)效應(yīng)CST電磁培訓(xùn)教程圖片1
圖1 飛機(jī)在CADFEKO中的電磁模型

矩量法是頻域算法,為了通過時域處理得到時域結(jié)果,CAE仿真需要對雷擊飛機(jī)模型進(jìn)行幾百個頻點的計算。而FEKO提供了包含單一頻率、連續(xù)頻率、線性空間離散點、對數(shù)空間離散點和一系列離散點等五種頻率范圍選項,并且其高級選項中包含了設(shè)置頻率最大取樣數(shù)和設(shè)置頻率最小增量兩種方式,這使得用戶可以根據(jù)自己的實際需要來做出選擇。本文選擇連續(xù)頻率范圍一項,該項所有需要求解的結(jié)果都是在起始到結(jié)束頻率范圍內(nèi)使用自適應(yīng)抽樣計算的。此對話框的高級選項中選擇設(shè)置最大抽樣數(shù)目,這樣做可以有效限制求解數(shù)量并縮短運(yùn)行時間。因為雷電主要頻率范圍在100Hz—50MHz,且能量主要集中在中低頻,所以本文設(shè)置的頻率為10KHz—10MHz,采樣數(shù)為100。

對電流項的求解設(shè)置上,FEKO提供了全部電流、在指定標(biāo)簽上的電流、線元電流以及三角面元電流4種求解設(shè)置,本文僅計算三角面元上的電流。待電流項在CADFEKO中求解完成后,需要在POSTFEKO界面中加入雷電流波形A分量,設(shè)定電流峰值為1A,采樣數(shù)目為1000,然后對上述設(shè)置進(jìn)行傅里葉逆變換,最終得到時域結(jié)果。

電磁場對線纜的耦合仿真主要在CADFEKO中的電纜選項中完成。FEKO通過設(shè)置電纜截面來定義電纜類型,主要包括對單芯線、排線、雙絞線以及同軸電纜的設(shè)置。而對電纜路徑的設(shè)置主要是通過輸入一系列三維坐標(biāo)點來定義。CADFEKO的電纜示意圖中可以添加電阻、電容和電感等多種常用元件,求解設(shè)置可以加入電壓探針和電流探針來測量電路電壓和電流。線纜的布局一般需要對線纜路徑、線纜束類型、電纜類型、接頭以及探針進(jìn)行設(shè)定,FEKO對以上線纜布局可以自定義設(shè)置,最大程度地滿足不同用戶的線纜仿真需求。

本文設(shè)計了一個簡化的雷電電磁場對機(jī)艙內(nèi)線纜耦合的仿真示例來說明FEKO的線纜仿真,機(jī)艙為長方體,材質(zhì)為理想導(dǎo)體,機(jī)艙內(nèi)部和窗戶均為自由空間,線纜為同軸電纜并位于艙內(nèi)上方,且兩端分別通過50歐姆的負(fù)載與艙頂連接,如圖2所示。

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圖2 機(jī)艙及內(nèi)部線纜仿真示意圖

4 CAE仿真結(jié)果與分析

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圖3 雷電流A分量波形

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圖4 機(jī)身表面雷電流分布

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圖5 線纜感應(yīng)電流

圖3為測試所需雷電流波形。圖4給出了雷電流在機(jī)身表面的分布情況,其中A圖為0.3微秒時刻的機(jī)身表面雷電流強(qiáng)度分布圖,B圖為6.4微秒的電流強(qiáng)度分布圖,從兩圖中可以發(fā)現(xiàn)飛機(jī)座艙蓋附近和雷擊出口處的電流強(qiáng)度要明顯大于機(jī)身其他部位,而B圖中機(jī)身表面電流強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于A圖,這分別與雷擊入口設(shè)置和雷電流波形特點有關(guān)。C圖和D圖分別給出了6.4微秒機(jī)身表面雷電流強(qiáng)度和方向的兩種視圖,C圖中雷電流強(qiáng)度和方向大致呈現(xiàn)軸對稱狀,這是由雷擊入口位于軸線所決定。

圖5中,A圖表明了機(jī)艙內(nèi)線纜感應(yīng)電流隨時間呈現(xiàn)一種震蕩關(guān)系且逐漸減小,B給出了感應(yīng)電流隨頻率的變化關(guān)系。

5 采用FEKO仿真計算的優(yōu)點

5.1網(wǎng)格模型優(yōu)化

由于矩量法是密集矩陣,其計算時間與內(nèi)存均正比于網(wǎng)格數(shù)的三次方,因此網(wǎng)格模型優(yōu)化對于減少計算機(jī)運(yùn)行時間和內(nèi)存是非常關(guān)鍵的。在飛機(jī)模型的網(wǎng)格剖分過程中,矩量法采用三角面元對其進(jìn)行剖分,這使得飛機(jī)模型更接近目標(biāo)幾何,同時產(chǎn)生較少的網(wǎng)格數(shù)量,又能夠保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量,最終在保持精確結(jié)果的前提下有效減少計算時間。

5.2低頻穩(wěn)定技術(shù)

FEKO 6.2新加入了低頻穩(wěn)定技術(shù),在計算低頻仿真問題時,結(jié)合低頻穩(wěn)定技術(shù)的單精度求解在保證結(jié)果準(zhǔn)確的同時,還比雙精度求解節(jié)省了大量計算內(nèi)存,這對大模型的仿真計算是非常有利的。此處選取了150kHz計算頻率分別采用單、雙精度對上述飛機(jī)模型進(jìn)行求解并做對比,在OUT輸出文件中,結(jié)合低頻穩(wěn)定技術(shù)的單精度計算所需內(nèi)存僅為710.787MByte,而雙精度計算所需內(nèi)存已經(jīng)達(dá)到了1.382GByte。

5.3GPU加速

FEKO結(jié)合了一個混合CPU和GPU的加速技術(shù)來支持矩量法矩陣的LU分解。FEKO 6.2對于GPU加速有很大改進(jìn),這使得并行計算性能大幅增加,從而快速有效地解決大模型問題。目前,它主要支持單塊顯卡并行求解、多塊顯卡并行求解和集群GPU并行求解等。由于計算機(jī)硬件顯卡不夠,此項無法用實例證明。

5.4求解存儲功能

矩量法的計算量很大,但FEKO的求解器有個優(yōu)點,一旦仿真模型結(jié)構(gòu)固定且求解頻率不變,只要經(jīng)過首次計算后,以后即使改變輸入輸出狀態(tài),再次計算就非?？臁１热绫疚闹械娘w機(jī)模型進(jìn)行單一頻點并行求解時,首次計算需要5分鐘左右,將雷擊入口位置改變再次對該模型進(jìn)行計算僅需幾秒鐘,這非常便于研究不同雷擊入口和出口位置的表面電流分布以及其他電磁場信息。

6 結(jié)束語

采用FEKO電磁場計算軟件對飛機(jī)雷電間接效應(yīng)試驗進(jìn)行CAE仿真研究,對于雷電試驗的優(yōu)化設(shè)計和飛機(jī)的防雷設(shè)計有著重要的參考價值和應(yīng)用價值。本文旨在對飛機(jī)雷電仿真方法進(jìn)行介紹,后續(xù)工作將對飛機(jī)的模型和材質(zhì)做較大改進(jìn),并對機(jī)身不同雷擊附著點進(jìn)行仿真研究,使CAE仿真更接近實際情況,從而為雷電試驗提供更加準(zhǔn)確的參考。

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